羅文行，房艷國，周 云，吳海斌，翁文林，付興偉

(1.長江勘測規(guī)劃設(shè)計(jì)研究有限責(zé)任公司，湖北 武漢 430010;2.中國長江三峽集團(tuán)有限公司，北京 100038

1 引 言

滇中地區(qū)是我國干旱最嚴(yán)重的地區(qū)之一，目前人均占有水資源量大大低于警戒線，特別是滇池流域，處于極度缺水狀況。20世紀(jì)50年代初，云南省就提出“引金入滇，五湖通航”的宏偉設(shè)想。由于當(dāng)時(shí)國家經(jīng)濟(jì)比較薄弱，該設(shè)想一直未予實(shí)施。本世紀(jì)初，國家開始積極推動金沙江調(diào)水的前期工作。2014年12月國家發(fā)改委批復(fù)了滇中引水工程項(xiàng)目建議書。滇中引水工程線路處于青藏高原與古揚(yáng)子板塊的交界處，發(fā)育多條大型活動斷裂，區(qū)域構(gòu)造活動強(qiáng)烈，地震活動頻繁，是中國大陸地震活動最活躍的地區(qū)之一[1]。活動斷裂構(gòu)造特征研究對于輸水工程非常重要。由于斷層切割較深，其深部構(gòu)造特征的研究較為困難[2, 3]，需要借助物探技術(shù)對斷裂深部形態(tài)進(jìn)行研究?？煽卦匆纛l大地電磁法(CSAMT)是在大地電磁法(MT)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的人工源電磁測深法[4-6]。該方法通過分析觀測到的由人工可控制的電磁波信號在地球介質(zhì)中激發(fā)的電磁波數(shù)據(jù)來達(dá)到勘探地球內(nèi)部電性結(jié)構(gòu)的目的。人工控制的信號源頻率范圍2-2～213Hz，改變頻率可以改變探測深度，頻率越低，探測深度越深。相較于其他物探方法，CSAMT法具有探測深度大(1～3 km)、不受高阻層屏蔽、橫向分辨率高(可以靈敏的發(fā)現(xiàn)斷層)等優(yōu)點(diǎn)。隨著大地電磁二維及三維正反演理論的進(jìn)步[7-14]，CSAMT在深部斷裂探測[15]、礦產(chǎn)資源[16]、地下水[17]、巖溶[18, 19]、地?zé)豳Y源[20-22]、城市地質(zhì)[23]、公路隧道[24]等勘察中，取得了良好的應(yīng)用效果。

本文研究區(qū)域位于云南劍川縣北部，主要發(fā)育三條北北東向活動斷層。由于該區(qū)域人口密集、村莊眾多、高壓線路較多，會產(chǎn)生較嚴(yán)重的人文干擾。因此選擇抗干擾能力較強(qiáng)的CSAMT法進(jìn)行探測，并在測線布置時(shí)盡量避開高壓線。通過CSAMT視電阻率反演剖面結(jié)合本區(qū)的地質(zhì)、構(gòu)造等資料綜合分析，推斷出斷裂帶發(fā)育的范圍以及深度，為后續(xù)的隧洞施工提供基礎(chǔ)參考資料。

2 區(qū)域地質(zhì)背景

研究區(qū)大地構(gòu)造上位于哀牢山-紅河斷裂的北東側(cè)(圖1a)，處于北北西構(gòu)造帶和北北東構(gòu)造帶的復(fù)合部位東側(cè)，北北西向的紅河斷裂帶和北北東向的麗江-劍川斷裂帶交匯于喬后井附近(圖1b)。滇西北地區(qū)經(jīng)歷了復(fù)雜的構(gòu)造演化過程，從上更新世末到早更新世初，伴隨著青藏高原加速隆升，區(qū)域夷平面解體，局部地段發(fā)生斷陷；早更新世與中更新世之間區(qū)域發(fā)生一次重要構(gòu)造事件，滇西北乃至滇西地區(qū)的下更新統(tǒng)與中更新統(tǒng)之間普遍發(fā)育角度不整合或假整合[25]；晚更新世早期青藏高原又一次強(qiáng)烈隆升[1]。滇西活動構(gòu)造系包括多個(gè)活動斷裂帶，主要以北東或近南北走向?yàn)橹?，如龍?bào)?喬后斷裂帶、麗江-劍川斷裂帶、鶴慶-洱源斷裂帶(圖1b)，均以左旋走滑為主要運(yùn)動方式。區(qū)域范圍內(nèi)地層出露較齊全，除寒武系外，前古生界至新生界均有出露。研究區(qū)基底元古界變質(zhì)巖，蓋層主要有下古生界下奧陶統(tǒng)砂頁巖，主要分布于洱海以東以及劍川-洱源一帶；上古生界泥盆系及石炭系碳酸鹽巖，主要分布在劍川-洱源一帶；二疊系碎屑巖及峨眉山玄武巖，主要分布在劍川-牛街-大理一線及鶴慶東部地區(qū)；三疊系碳酸鹽巖、碎屑巖主要分布在鶴慶東山及松桂、北衙一帶；侏羅系、白堊系主要地層分布在程海-賓川斷裂以東地區(qū)，距研究區(qū)較遠(yuǎn)；古近系和新近系碎屑沉積巖，主要分布在鶴慶東山一帶；第四系主要為殘坡積、沖洪積堆積物，分布于洼地、緩坡、河谷和山間盆地。研究區(qū)巖漿活動較強(qiáng)烈，從華力西～喜山期均有活動，酸性、基性、超基性和中性巖漿巖均有出露，多沿區(qū)域長大斷裂分布。區(qū)內(nèi)變質(zhì)作用僅分布在大理以西蒼山一帶，主要為蒼山前寒武系變質(zhì)巖帶，該帶為區(qū)域變質(zhì)、熱力變質(zhì)和動力變質(zhì)疊加而成的復(fù)雜變質(zhì)巖系。

圖1 研究區(qū)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造簡圖Fig.1 Regional geological tectonic simplified map of study area

3 CSAMT工作原理及野外施工

3.1 工作原理

CSAMT法基于電磁波傳播理論和麥克斯韋方程導(dǎo)出電場(Ex，單位V/m)，磁場(Hy，單位A/m)與視電阻率(ρs，單位Ω·m)的關(guān)系：

ρs=(1/5f) (Ex/Hy)2

(1)

式中,f代表頻率(單位Hz)。由式(1)可見，只要地面上觀測到兩個(gè)正交的水平電磁場(Ex，Hy)就可獲得地下的視電阻率ρs(也稱卡尼爾電阻率)。

然后根據(jù)電磁波的趨膚效應(yīng)理論，導(dǎo)出趨膚深度公式：

H≈356×(ρ/f)0.5

(2)

式中,H代表探測深度(單位m);ρ代表地表電阻率(單位Ω·m);f代表頻率(單位Hz)。從式(2)可見，當(dāng)視電阻率固定時(shí)，電磁波的傳播深度(或探測深度)與頻率成反比。高頻時(shí)，探測深度淺；低頻時(shí)，探測深度深。因此可以根據(jù)改變發(fā)射頻率來改變探測深度，從而達(dá)到變頻測深的目的。

3.2 測線布設(shè)

為達(dá)到活動斷裂勘探目的，筆者在研究區(qū)內(nèi)布設(shè)了兩條測線，A-A′剖面和B-B′剖面，都穿越了三條主要斷裂。兩條測線剖面總長度約74.5 km，測點(diǎn)共750個(gè)，具體的測線布置見圖2。剖面沿線主要出露泥盆系下統(tǒng)冉家灣組(D1r)、中統(tǒng)窮錯(cuò)組(D2q)、二疊系玄武(Pβ)、黑泥哨組(P2h)、三疊系中統(tǒng)(T2a、T2b)、北衙組(T2b)、上統(tǒng)中窩組(T3z)、松桂組(T3sn)、燕山期不連續(xù)分布的侵入巖、第三系(E+N)及第四系(Q)等地層。其中，白漢場槽谷(龍?bào)?喬后斷裂)以西多為變質(zhì)巖及淺變質(zhì)的片巖、板巖夾灰?guī)r，汝寒坪、汝南河一帶以二疊系玄武巖系(Pβ)噴出巖為主，鶴慶西山沙子坪至格局、北衙一帶灰?guī)r集中分布(圖2)。

圖2 研究區(qū)地質(zhì)構(gòu)造簡圖及物探剖面布設(shè)Fig.2 Geological tectonic map and geophysical profile setting

野外測量工作過程中，筆者采用標(biāo)量的CSAMT數(shù)據(jù)采集方式，利用1個(gè)場源測量電場分量(Ex)與磁場分量(Hy)，其中x和y分別為測線方向和垂直測線方向。圖3標(biāo)示的就是野外測量的布設(shè)示意圖，測區(qū)范圍在發(fā)射點(diǎn)A和B兩端60°角范圍內(nèi)，距離發(fā)射機(jī)垂向距離2～4 km。本次野外施工采集系統(tǒng)使用的加拿大鳳凰公司生產(chǎn)的V8多能能接收機(jī)和RXU-3ER輔助接收機(jī)，輔助采集系統(tǒng)還包括AMTC-30磁探頭、不極化電極罐。發(fā)射系統(tǒng)包括TXU-30大功率發(fā)射機(jī)，最大輸出功率為20 kW，最大輸出電壓為1 000 V。

圖3 CSAMT法野外工作布置示意圖Fig.3 Schematic diagram of CSAMT in field work

4 原始數(shù)據(jù)采集及數(shù)據(jù)處理

4.1 野外工作參數(shù)

為了采集到高質(zhì)量的數(shù)據(jù)，野外采集數(shù)據(jù)時(shí)候必須要選擇適合CSAMT方法的野外工作參數(shù)，比如發(fā)射電流大小、發(fā)射頻率范圍、發(fā)射偶極長度、收發(fā)距等。通過野外踏勘和理論計(jì)算，初步確定了這些參數(shù)值：使用最低頻率1 Hz，最高為7 680 Hz，同時(shí)考慮到橫向分辨率的要求，接收點(diǎn)距為100 m。由于收發(fā)距較大，場強(qiáng)會逐漸減弱，為了保持場源強(qiáng)度，有效壓制干擾信號，提高觀測數(shù)據(jù)質(zhì)量，供電的電流設(shè)置最高達(dá)到12 A。并且在數(shù)據(jù)采集過程中，采用多次疊加和重復(fù)觀測技術(shù)，至少每個(gè)測點(diǎn)保持2～3次疊加。設(shè)置的全頻率范圍采集周期從45 min到1 h，以提高信噪比壓制干擾。

4.2 巖石物性參數(shù)

地層的電性差異是地球物理方法中電法類勘探必要的物理前提。只有當(dāng)勘探對象與周圍地質(zhì)體存在一定的電性差異時(shí)，才具備應(yīng)用地球物理方法進(jìn)行勘探的物理?xiàng)l件。研究區(qū)各地質(zhì)體巖性的電阻率值(ρ)的測定結(jié)果見表1，均處于一般巖性電性特征值范圍內(nèi)。

表1 研究區(qū)巖石標(biāo)本電阻率

香爐山隧洞工程區(qū)沿物探測線主要巖性為砂巖、灰?guī)r為主，夾黏土巖或粉砂質(zhì)黏土巖。完整砂巖和灰?guī)r的電阻率較高，但當(dāng)其因破碎、巖溶或裂隙發(fā)育充水時(shí)，其導(dǎo)電性會顯著增強(qiáng)，電阻率會明顯降低。

4.3 數(shù)據(jù)處理流程

CSAMT原始測量數(shù)據(jù)資料存在近場效應(yīng)、陰影效應(yīng)及靜態(tài)位移效應(yīng)等，因此在數(shù)據(jù)資料解釋之前必須要對原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，使得測量資料較好地反映客觀地質(zhì)情況[26]。為此人們要使用可視化軟件進(jìn)行跳點(diǎn)剔除，然后利用空間濾波器法消除近地表電性不均勻引起的靜態(tài)效應(yīng)以及小尺度地形影響，采用比值法消除地形引起的視電阻率畸變，進(jìn)而再對數(shù)據(jù)進(jìn)行一維和帶地形的二維反演[27]，以獲得勘探深度范圍內(nèi)，特別是經(jīng)過三條主要活動斷層的視電阻率結(jié)構(gòu)分布剖面圖。CSAMT數(shù)據(jù)采用CSAMT-SW V2.0軟件進(jìn)行處理，具體的數(shù)據(jù)處理流程如圖4所示。

圖4 CSAMT數(shù)據(jù)處理流程示意圖Fig.4 CSAMT chematic diagram of data processing process

5 數(shù)據(jù)解釋

對電磁法物探剖面進(jìn)行解譯時(shí)，既要考慮到視電阻率指示的地球物理意義，還要結(jié)合研究區(qū)構(gòu)造地質(zhì)構(gòu)造背景。這樣數(shù)據(jù)解釋結(jié)果才更符合地質(zhì)實(shí)際。

5.1 A-A′剖面

該剖面長度55.95 km，二維反演結(jié)果如圖5所示。二維反演結(jié)果(圖5)顯示，剖面0～300 m處電阻率較低，是由于隧道口附近巖石較為破碎充水所致，在400 m處視電阻率等值線發(fā)生錯(cuò)斷現(xiàn)象，推測存在小的斷裂構(gòu)造，傾角約87°，底部延伸深度約200 m。在3.7 km處視電阻率左高右低，與地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)的巖性分界線對應(yīng)。在4.8 km處，視電阻率等值線發(fā)生錯(cuò)斷，推測為斷裂構(gòu)造(F1)，傾角約70°，傾向南東，根據(jù)視電阻率等值線錯(cuò)斷情況顯示為逆斷層系統(tǒng)，斷層深部延伸超過2 km。在5.7 km處視電阻率等值線發(fā)生錯(cuò)斷現(xiàn)象，根據(jù)等值線錯(cuò)斷情況顯示為正斷層系統(tǒng)(F2)，傾角77°，傾向?yàn)楸蔽鳌?.8 km到6.5 km，視電阻率等值線平穩(wěn)，表明圍巖較為穩(wěn)定。在6.5 km處，深部存在一低阻異常體，可能是由F3斷層滑動引起。在7.9 km處推測存在F4斷層，傾角77°，傾向北西，深部延伸300 m。F5、F6和F7處所在區(qū)域顯示為低阻異常，地表調(diào)查發(fā)現(xiàn)該處有高壓線經(jīng)過，應(yīng)該是高壓線干擾所致，不是斷層引起的。在12.7 km處深部存在一低阻異常體，可能是由于F8斷層的深部滑動引起，該斷層傾角53°，傾向北西，為正斷層系統(tǒng)。F9傾角77°，傾向南東，為正斷層系統(tǒng)，深部延伸超過2 km。F10斷層左側(cè)為低阻異常帶，右側(cè)為高阻異常帶，傾角為75°，傾向北西，為正斷層系統(tǒng)，深部延伸超過2 km。F11斷層處在高阻體內(nèi)部，為高角度正斷層系統(tǒng)，由于斷層滑動，流體沿?cái)鄬用孢M(jìn)入到深部，造成深部低阻異常呈條帶狀展布，受到斷層滑動的影響，斷層影響帶視電阻率明顯偏低于圍巖。F12處視電阻率等值線連續(xù)分布沒有錯(cuò)斷現(xiàn)象，推測為巖性分界面，不是由于斷層滑動造成的。F13存在視電阻率等值線錯(cuò)斷，推測為斷層引起，傾角82°。F14和F15與地表調(diào)查中發(fā)現(xiàn)的汝南河斷裂帶的邊界斷層對應(yīng)，反演剖面上視電阻率明顯中間低，兩側(cè)高，為正斷層性質(zhì)，傾角70°。F16處整體視電阻率呈低阻特征，等值線橫向不連續(xù)，有錯(cuò)斷，為明顯的斷裂構(gòu)造特征，傾角為72°，傾向南西。F17處地表為低阻特征，左側(cè)視電阻率明顯低于右側(cè)，呈線性構(gòu)造分布，為斷層特征，傾向南西，傾角75°，深部2 km處有低阻體，可能是由于巖溶系統(tǒng)中充填地下水的緣故。F18處根據(jù)野外地質(zhì)調(diào)查發(fā)現(xiàn)巖性為白云質(zhì)灰?guī)r，視電阻率等值線圖上顯示為低阻異常紊亂，橫向不連續(xù)，有錯(cuò)斷現(xiàn)象，可能是由于斷層活動引起的巖溶系統(tǒng)貫穿的表現(xiàn)。F19處根據(jù)視電阻率等值線顯示，左側(cè)高阻，右側(cè)低阻，并且深部還有低阻體，可能與巖溶系統(tǒng)中地下水充填有關(guān)。綜合分析該處為巖性分界線，推測底部含有碳質(zhì)地層導(dǎo)致低阻。F20為巖性分界線。F21與F22視電阻率等值線不連續(xù)，顯示出斷層的性質(zhì)，傾角為80°，為正斷層。此處在深部存在3處低阻異常體，可能由于斷裂構(gòu)造使得巖體破碎或者巖溶系統(tǒng)發(fā)育所致。F23左側(cè)低阻異常，右側(cè)高阻，等值線連續(xù)平穩(wěn)分布，無明顯低阻異常，推測為巖性分界線。F24和F25，等值線分布連續(xù)平穩(wěn)，無明顯錯(cuò)斷現(xiàn)象，推測為巖性分界線。F26等值線橫向不連續(xù)，有錯(cuò)斷現(xiàn)象，明顯為斷層導(dǎo)致，正斷層性質(zhì)，傾向北西，傾角78°，受到斷裂構(gòu)造的影響，低阻異常往深部延伸。F27為正斷層的反映，傾角80°，傾向北西，斷裂帶寬約30 m，深部延伸超2 km。F28和F29，視電阻率等值線橫向不連續(xù)，有錯(cuò)斷現(xiàn)象，為斷層所致，正斷層性質(zhì)，傾向南東，深部延伸超1 km，受到斷裂構(gòu)造影響，深部有低阻異?，F(xiàn)象。

圖5 A-A′物探剖面二維反演資料解釋Fig.5 CSAMT 2D inversion data interpretation diagram of A-A′ section(1∶1 000)

5.2 B-B′剖面

該剖面線長28.5 km，二維反演結(jié)果如圖6所示。如二維CSAMT反演剖面所示，F(xiàn)1處視電阻率左高右低，等值線不連續(xù)，有錯(cuò)斷現(xiàn)象，為高角度正斷層，傾角80°，傾向南東。F2左側(cè)低阻，右側(cè)高阻，等值線不連續(xù)，有錯(cuò)斷現(xiàn)象，是斷層的反映，傾角75°，傾向北西。F3和F4處等值線連續(xù)，地層分界線，電阻率較低可能由于溶洞的影響。F5視電阻率等值線不連續(xù)，受到斷裂的影響，深部延伸超過2 km，正斷層性質(zhì)，傾向北西，傾角80°。F6處視電阻率等值線連續(xù)，推測為巖性分界線。F7左側(cè)高阻，右側(cè)低阻，視電阻率等值線有錯(cuò)斷，正斷層性質(zhì)，傾向南東，傾角80°。F8為巖性分界線，呈橢圓形分布，通過野外地質(zhì)分析本區(qū)含有碳質(zhì)頁巖層，很可能是碳質(zhì)頁巖造成的低阻現(xiàn)象。F9和F10為巖性分界線，視電阻率等值線連續(xù)分布，中間為低阻，兩側(cè)高阻，低阻現(xiàn)象是由于巖溶系統(tǒng)發(fā)育充填地下水所致。F11視電阻率等值線不連續(xù)，有錯(cuò)斷現(xiàn)象，為典型的斷層特征，正斷層性質(zhì)，傾向南東，傾角80°，受斷裂構(gòu)造影響，斷層上盤(右側(cè))巖石破碎造成電阻率較低。

圖6 B-B′物探剖面二維反演資料解釋Fig.6 CSAMT 2D inversion data interpretation diagram of B-B′ section(1∶1 000)

6 結(jié) 論

在滇中引水工程香爐山隧洞工程需穿越3條主要的活動斷裂，隧洞埋深最大處上千米深，需要對斷裂構(gòu)造深部延伸情況進(jìn)行詳細(xì)研究。本文討論了可控源音頻大地電磁法在研究區(qū)深部斷裂構(gòu)造探測中的應(yīng)用成果，根據(jù)與實(shí)地地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查成果的對比，效果比較好。通過綜合分析和對比，得出如下初步結(jié)論：

1)CSAMT方法在本區(qū)活動斷層探測中具有一定的優(yōu)越性。首先該方法比人工地震成本低，施工方便、快速，探測深度和精度比人工地震低，但也都可以滿足工程研究的需要。其次，相對于其他天然源電磁法，CSAMT采用人工源發(fā)射電磁信號，提高了信噪比，降低了人文干擾對探測結(jié)果的影響。最后，CSAMT數(shù)據(jù)帶地形處理反演方法的改進(jìn)，使得該方法在研究區(qū)這樣山體大、地形陡的山區(qū)，探測和解釋成果也可以非常符合地質(zhì)實(shí)際。

2)本次工作獲得的CSAMT二維反演結(jié)果成圖效果較好，與野外地質(zhì)構(gòu)造調(diào)查結(jié)果相結(jié)合進(jìn)行綜合分析解釋，除了對地層進(jìn)行電性分層外，還識別出多條新的斷層，并且對其形態(tài)、性質(zhì)進(jìn)行了初步幾何學(xué)和運(yùn)動學(xué)描述，為下一步鉆探工程和隧道施工提供了參考依據(jù)。